Situation du problème

L’extraction annuelle de minerais phosphorés représente environ 200 millions de tonnes de minerais bruts soit 140 millions de tonnes de minerais concentrés, ou encore 40 millions de tonnes sous forme de P2O5 (CEEP Phosphate1, 1998). La production se répartit actuellement vers différents secteurs : les engrais, 80%, les détergents, 12%, les aliments pour animaux, 5%, et les applications spéciales, 3%. Il est évident que le développement de la production mondiale de phosphore reste essentiellement lié au développement de l’agriculture (80%), qui est lui même, imposé par l’accroissement de la population et ses demandes en nourriture.

L’autre utilisation importante du phosphore concerne l’industrie des détergents. En effet, les phosphates diminuent la dureté de l’eau, permettent au surfactant de mieux nettoyer et contribuent ainsi à réduire la concentration en tensioactifs ; ils préviennent la redéposition de particules, maintiennent le pH, facilitent la dissolution du détergent. Le phosphore des lessives a été partiellement remplacé en Europe par d’autres composés. Ceux-ci, non recyclables, présentent cependant divers inconvénients pour l’environnement.

Les applications spéciales concernent l’utilisation de ciments phosphocalciques dans le domaine de la santé, l’utilisation dans le domaine militaire, l’utilisation dans les extincteurs, fabrication de verres spéciaux, l’industrie pharmaceutique (phosphore organique).

Le phosphore présent dans les eaux est apporté soit par des sources ponctuelles soit par des sources diffuses (Durrant, 1999).

Les sources diffuses sont les plus difficiles à caractériser et donc à contrôler. Elles représentent la proportion majeure des rejets de phosphore. Certaines pertes de phosphore (érosion, lessivage) des champs peuvent causer l’eutrophisation dans des eaux sensibles à ce phénomène et l’agriculture peut être considérée comme la principale source. La quantité totale de phosphore assimilée par les plantes est estimée à 10%, le reste est piégé dans le sol sous forme solide et peut être considéré comme perdu pour la plante. C’est la grande différence entre le phosphore et les nitrates qui eux, restent solubles et s’infiltreront dans la terre jusqu’aux nappes phréatiques. Si aucun apport en phosphore n’a été apporté pendant l’année, seulement 5 à 10% du phosphore de l’année précédente sera assimilé. La plante a besoin de nutriments chaque année pour se développer. 80% du phosphore piégé dans le sol et non

assimilable issu de l’épandage agricole est susceptible de se retrouver dans les cours d’eaux par un enchaînement : source => mobilisation => transport (Haygarth, 1998, 1999, 2000 ; Turner, 2001).

Le transfert du phosphore du champ vers l’eau ne peut se faire que s’il y a une « source » en phosphore, qui provient de la géologie du sol, des engrais, du fumier. Le surplus annuel s’élève en moyenne à 1 tonne de phosphore par hectare sur 65 ans.

La mobilisation décrit le départ du procédé de transport et inclus les procédés

chimiques, biologiques et physiques appelés « solubilisation et détachement ». La

solubilisation se fait surtout par la partie organique contenant du phosphore au contact de l’eau et le détachement par l’érosion du sol.

Le transport vers les cours d’eaux se fait grâce à des facteurs hydrologiques : intensité et durée d’une averse, en fonction du climat, de la topographie, du drainage des sols.

Le phosphore contenu dans les rivières est présent soit sous forme particulaire, soit sous forme dissoute. La quantité totale de phosphore dans les cours d’eaux est calculée comme suit : Phosphore Total = Phosphore particulaire + Phosphore dissout

Le phosphore dissout est présent sous forme d’orthophosphate libre : H2PO4- et HPO42- en équilibre dynamique avec l’orthophosphate des composés chimiques solides, cristallins ou amorphes. De ce fait, la concentration en orthophosphate, à un moment donné, dépendra du pH qui agit sur la solubilité des complexes formés.

Les sédiments des fonds des lacs sont des réservoirs à phosphore et représentent eux aussi une source diffuse. Par leur présence, ils peuvent créer un cycle qui s’auto entretient d’année en année même si les apports en phosphore sont supprimés.

Il existe des difficultés et aussi des incertitudes sur l’estimation de la provenance des sources diffuses.

Les sources ponctuelles sont les plus faciles à identifier et à contrôler. L’eau usée constitue la source ponctuelle majoritaire de rejet de phosphore dans les cours d’eaux. Les sources ponctuelles agricoles peuvent provenir de stocks intensifs de lisier ou de fumier en un endroit bien localisé. Les sources ponctuelles des industries représentent aussi une part importante en incluant l’industrie alimentaire et de la boisson, l’industrie de production des engrais et de nettoyage de matériels. Tout ceci peut être répandu directement dans les rivières ou retraité dans des stations. Tous ces traitements effectués sur les sources ponctuelles ont été imposés et contrôlés par la mise en application d’une Directive Européenne (91/271/EEC)

concernant les quantité maximales de phosphore à rejeter dans les cours d’eaux (celle-ci est citée dans le paragraphe suivant).

Les différentes sources de phosphore qui alimentent les lacs et rivières sont reportées dans le tableau ci dessous (Scope Newsletter N°51) :

Tableau 1 : pourcentage des différentes sources en phosphore déversées dans les lacs et rivières en 1985 et 1995.

Tonne total P / an

Source 1985 1995

Industrie 6,4 (31%) 0,4 (3%)

Traitement des villes 5,3 (26%) 3,5 (27%)

Averses de pluies 0,4 (2%) 0,4 (3%)

Source diffuse 8,1 (39%) 8,1 (64%)

Total 20,6 12,6

Entre 1985 et 1995, la quantité totale de phosphore déversée dans les lacs et rivières a diminué de 40%. Cette baisse est liée à la quasi disparition des sources issues de l’industrie suite à la Directive Européenne développée dans le paragraphe suivant. Les sources diffuses représentent 64% des apports de phosphore en 1995. La quantité de phosphore issue des sources diffuses (souvent issues de l’érosion des sols) peut être diminuée par une meilleure gestion du management des parcelles, ne pas mettre des engrais en excès et éviter une trop grande érosion des sols. Ceci passe aussi par la présence de haies autour des champs, de bandes enherbées autour des cours d’eau qui sont un amortisseur d’érosion. Les eaux d’écoulement après de fortes pluies peuvent être récupérées avant d’être déversées dans les cours d’eaux grâce à des réservoirs artificiels, aussi appelés bio réacteurs, ou les influents verront une grande croissance algale qui consommera les nutriments, avant d’être déversés dans les lacs.

I) L’eutrophisation.

L’eutrophisation d’un milieu aquatique désigne son caractère eutrophe (du grec eu « bien, vrai » et trophein « nourri ») c’est à dire riche en élément nutritif, initialement sans caractère négatif, mais souvent employé pour désigner le déséquilibre qui résulte d’un apport excessif de nutriments : azote, carbone, et phosphore notamment. Un plan d’eau, quel qu’il soit, est naturellement condamné à disparaître. Des modifications des structures physiques, chimiques et biologiques sont observées.

L’eutrophisation a été définie en 1989 comme un enrichissement de l’eau en nutriment qui a pour conséquence l’accroissement de la production d’algues et de macrophytes, une détérioration de la qualité de l’eau et d’autres symptômes de changement tout autant indésirables et qui interfèrent avec l’utilisation de l’eau (Durrant, 1999).

1.2) Phénomènes visibles qui laissent entrevoir le début de l’eutrophisation.

La présence de l’homme et ses activités entraînent souvent un changement dans l’évolution du plan d’eau. Le résultat se caractérise par un apport excédentaire et massif de nutriments tel le phosphore qui accélère le processus d’eutrophisation. On parle alors d’eutrophisation accélérée ou distrophisation.

Le passage de l’un à l’autre caractérise l’eutrophisation à l’échelle géologique, ou la distrophisation à l’échelle humaine.

Les indications classiques de début d’eutrophisation sont un accroissement de l’activité biologique (croissance excessive d’algues) combinée avec une diminution de la diversité des espèces aquatiques (Durrant, 1999). Ce qui entraîne par la suite un manque d’oxygène dans l’hypolimnion (couche d’eau froide située dans les zones profondes).

1.3) Le concept d’élément limitant.

Le facteur limitant (inspiré du livre « l’eutrophisation des lacs et des plans d’eaux ») est un concept introduit en 1840 déjà par Leibig. Il s’aperçut que le développement des plantes dépendait de nutriments essentiels. De plus le rendement était limité par le nutriment indispensable le plus rare, le facteur limitant. Ainsi, c’est en agissant principalement sur le ou les facteurs limitant que l’on peut parvenir à lutter contre l’eutrophisation.

En plus des nutriments, les conditions idéales qui causent l’eutrophisation dans les cours d’eaux et les lacs sont des conditions calmes, chaudes, ensoleillées avec de faibles débits (Durrant, 1999). Sur le long terme, la meilleure stratégie à adopter pour contrôler l’eutrophisation est de réduire les quantités de nutriments apportées de l’extérieur, ce qui limiterait la profusion d’algues. La production d’algues consomme du carbone, de l’azote et du phosphore dans les proportions atomiques 106/16/1 de C/N/P (Carbone/Azote/Phosphore), ce qui correspond à des rapports de masses de 40/7/1. L’azote ou le carbone ne peuvent être un facteur limitant, en effet certaines algues peuvent fixer l’azote de l’air et le carbone est présent dans tous les organismes. Donc le phosphore est le seul élément qui ne présente pas de difficultés apparente d’élimination. Si le rapport de masse entre N et P : N/P est supérieur à 7, le phosphore est l’élément limitant en nutriment. Ces conditions sont trouvées généralement dans l’eau douce. Le phénomène d’eutrophisation commence dans une eau lorsque la concentration en phosphore est supérieure à 0.1 mg/L. La concentration naturelle en phosphore dépasse rarement 0.01 mg/L. Le phosphore représente le seul facteur contrôlable responsable de l’eutrophisation. Les luttes en amont des lacs et rivières impliquent comme seule stratégie le contrôle des sources en phosphore susceptible d’être rejetées dans les cours d’eaux. L’objectif est donc de réduire la concentration en phosphore entre 10 et 100 µg/L dans les cours d’eau sans créer ou entretenir d’autres impacts sur l’environnement.

1.4) Les luttes contre l’eutrophisation, les actions préventives (luttes en amont et lutte en aval).

Pour éviter le phénomène d’eutrophisation, les méthodes d’élimination du phosphore peuvent être classées en deux groupes : celles qui agissent dans les sites aquatiques (la lutte en aval), et celles qui agissent hors des sites aquatiques, en prévention (la lutte en amont).

Les différents moyens mis en œuvre dans la lutte en aval des cours d’eaux sont(CEEP Scope Newsletter N°51) :

• l’extraction des sédiments par curage

• le recouvrement des sédiments par ajout de calcium afin de limiter le recyclage du phosphore sédimentaire

• l’épandage de sulfate de cuivre, qui est un algicide actif vis à vis des cyanobactéries

• la déstratification par insufflation d’air

• l’oxygénation des eaux profondes sans déstratifier

• l’aménagement de retenues secondaires dans le but de piéger le phosphore • l’évacuation des eaux profondes vers l’aval pour soutirer le phosphore.

L’introduction de poissons, la « biomanimulation », s’est révélée inefficace, même avec des planctonophages. Les poissons tendent à renforcer la production primaire car ils se nourrissent principalement du zooplancton.

Les actions préventives mises en place dans la lutte en amont des cours d’eaux consistent en :

• une prévention locale par l’assainissement péri-lacustre : les effluents sont récupérés puis évacués en aval du lac

• une déphosphatation des effluents urbains et industriels sur tout le bassin versant (méthode choisie dans le travail présenté)

• une lutte contre les apports agricoles dans les bâtiments d’élevage, et dans les champs (lutte contre l’érosion des terres)

• une limitation des utilisations de phosphore, en particulier dans les lessives. En eau douce, le phosphore est l’élément nutritionnel limitant. Dans le cas des marées vertes, l’azote est principalement responsable, sa présence est liée à l’agriculture intensive.

1.5) Législation, mise en place d’une Directive Européenne.

Cette législation a été introduite dans le but de limiter le phénomène d’eutrophisation, de plus en plus important dans les années 80, dans les cours d’eaux en Europe. Au niveau international, certain pays possèdent des législations différentes (Etats Unis, Japon, Russie…) ou même parfois n’en possèdent pas du tout. La Directive Européenne du 21 mai 1991, 271/91/EEC, impose, dans les zones définies comme sensibles par chaque Etat (P>50µg/L et chlorophylle>30µg/L) (CEC, 1991, 1998), qu’après épuration, les eaux rejetées doivent contenir des concentrations de phosphore total (moyenne annuelle) inférieures à :

• 2mg/L pour les agglomérations de 10.000 à 100.000 Equivalent Habitant (E. H.)

• 1mg/L pour les agglomérations de plus de 100.000 E. H. et un rendement de réduction égal ou supérieur à 80%.

Les agglomérations situées dans les bassins versants « pertinents » des zones sensibles et qui contribuent à leur pollution, devront également mettre en place des traitements plus complets. L’inconvénient de cette directive est qu’elle n’est imposée que pour les villes de plus de 10.000 E. H. et que la plupart de ces villes étaient déjà équipées. Les petites agglomérations ne sont pas obligées d’avoir de telles installations, la plupart d’entre elles n’ont pas les moyens financiers pour leur mise en place.

II) L’élimination du phosphore des effluents.

Les techniques d’élimination du phosphore sont classées en deux catégories :

• celles qui font intervenir un procédé biologique qui met en œuvre des microorganismes assurant l’élimination du phosphore

• celles qui font intervenir un procédé chimique qui met en œuvre la précipitation d’un sel de phosphore très insoluble.

Les techniques d’élimination du phosphore sont fonction du volume d’eau à traiter et non de la concentration de phosphore dans l’effluent.

2.1) Le procédé par traitement biologique.

Le principe de la déphosphatation biologique consiste en une suraccumulation de phosphore dans la biomasse. Si des teneurs de 2 à 3% en phosphore dans les boues sont obtenues sous des conditions normales et correspondent aux besoins des bactéries, le mécanisme de suraccumulation nécessite de placer la biomasse alternativement en phase anaérobie et aérobie (Durrant, 1999). En phase anaérobie, les bactéries relarguent des polyphosphates dans la solution, mais dès qu’elles sont replacées en phases aérobies, elles reconstituent leurs stocks en polyphosphates, cette réabsorption est plus importante que ce qui avait été relargué en anaérobiose. Ainsi par succession de phases anaérobie-aérobie, une accumulation progressive du phosphore dans ces micro organismes jusqu’à des valeurs pouvant atteindre 10% de leur poids sec peut être obtenue. Tout ce processus conduit à assurer une élimination du phosphore de l’ordre de 50 à 65% dans les eaux à traiter. Cette

limite impose d’envisager des solutions complémentaires où la part de phosphore restante sera précipitée par l’ajout d’un réactif.

Un des principaux avantages du procédé par traitement biologique est qu’aucune demande en réactif est nécessaire, et les boues produites sont proches de celles obtenues avec un traitement conventionnel, tout ceci avec un coût de fonctionnement faible. En revanche, cette méthode exige de mettre en place un bassin d’anaérobiose, une gestion rigoureuse des boues afin d’éviter tout relargage intempestif de phosphore et ne permet pas une élimination poussée du phosphore. Le rendement d’élimination du phosphore est très largement lié à la composition des eaux usées : une forte concentration en DCO facilement assimilable étant favorable à la déphosphatation biologique. Lorsque les eaux brutes sont diluées, soit par des eaux parasites soit par temps de pluie, le rendement de déphophatation peut descendre à 30– 50%.

La quantité de phosphore récupérée est non négligeable, par exemple en Allemagne, elle se répartit comme suit (Hahn, 2004) :

• traitement des eaux urbaines : 11 350 tonnes P/An • rejets industriels : 1 250 tonnes P/An

• tempêtes, surplus des eaux d’égouts : 2 570 tonnes /An

• érosion, eaux de drainage, eaux souterraines, sources diffuses : 22070tonnes/an 2.2) Le procédé par traitement chimique par ajout d’ions métalliques.

Le procédé par traitement chimique consiste à ajouter un réactif dans la solution phosphorée pour faire précipiter un sel de phosphore très insoluble qui est ensuite séparé de la phase liquide par filtration ou décantation. Les principaux réactifs utilisés en France sont des sels métalliques, plus précisément, des sels d’ions trivalents tels que le fer et l’aluminium.

Lors d’ajout d’ions métalliques, il peut se former d’autres composés si les ions métalliques se lient avec d’autres liants (Durrant, 1999). Le dosage des réactifs dépend donc énormément des caractéristiques de l’effluent à traiter (pH, concentration en phosphore, dureté de l’eau…), de la dose à injecter, de la fréquence d’ajout, etc.

Le fer se trouve en solution sous forme di ou trivalente selon le pH. La réaction mise en jeu a besoin de beaucoup d’oxygène, les ions ferreux et ferriques assurent une bonne efficacité d’élimination à différents pH (ferriques, plutôt à pH acide et ferreux plutôt à pH

alcalin). Dans tous les cas une bonne efficacité d’élimination est obtenue à pH 7 (qui est le pH des eaux usées). Les ions Fe sont mis en excès en solution à cause des réactions de compétition en fonction de la composition de l’eau.

L’aluminium est ajouté dans la solution la plupart du temps sous forme de sulfate d’aluminium. Dans les conditions de stœchiométrie, l’ion aluminium (Al3+) réagit avec l’ion phosphate (PO43-). En réalité, le dosage à appliquer est un dosage en excès de Al pour les mêmes raisons que le fer. Le pH de l’eau à traiter est d’une importance particulière pour la précipitation de l’aluminium. L’efficacité maximale du sulfate d’aluminium se situe aux alentours de pH 5,5-6,5. Cependant, pour une élimination plus efficace du coagulant, le pH de la solution doit être légèrement supérieur pour anticiper une baisse de pH causée par un excès de sel d’aluminium. Le sel Na2OAl2O3 est parfois utilisé avec des effluents acides : sa réaction avec le phosphore libère des OH- qui tamponnent le milieu.

Le rendement de déphosphatation grâce aux sels de fer ou d’aluminium est d’autant plus élevé (entre75 et 95%) que les eaux usées sont chargés en phosphore.

Les atouts majeurs de la déphosphatation physico-chimique sont un rendement d’élimination du phosphore élevé et une mise en œuvre aisée (CEEP Phosphate2, 1998). Cependant, elle se caractérise par un coût de fonctionnement non négligeable (les réactifs sont introduits en excès) et une production de boues importante qui doivent ensuite être stockées dans des centres d’enfouissement (CET) Classe I.

Les avantages et inconvénients de cette méthode et de celle par voie biologique sont reportés dans le tableau suivant.

Tableau 2 : comparatif des avantages et des inconvénients entre les méthodes d’élimination du phosphore par voie biologique et par voie chimique.

2.3) L’utilisation du phosphore et état actuel des ressources naturelles.

Le phosphore est l’un des 19 éléments strictement indispensables aux organismes vivants quelles que soient la place qu’ils occupent dans l’arbre de l’évolution. Aucun organisme vivant, et « voulant » le rester, n’échappe à l’utilisation de phosphore.

Elément clé de toute vie, le phosphore intervient dans la majorité des grands cycles biogéochimiques. C’est pourquoi c’est dans le domaine du vivant, et non dans celui de l’industrie, que se produisent les grands flux planétaires de phosphore originaire des sols. Il en est de même pour le phosphore extrait des mines, puisque c’est son utilisation en agriculture comme engrais qui représente son débouché majeur en terme de tonnage (80% de la quantité totale extraite). Le volume de ce débouché devrait d’ailleurs croître. A l’échelle temporelle humaine, le phosphore n’est pas une ressource renouvelable ; il convient donc d’en assurer une gestion parcimonieuse pour autoriser un développement planétaire durable. La collecte de biens alimentaires doit s’inscrire dans un contexte de durabilité (CEEP Phosphate1, 1998), non seulement en terme de production mais surtout en terme de développement. La notion de développement durable, introduite par Mme G. H. Brunland en 1987, propose un objectif de développement qui répond aux besoins économiques de l’ensemble des habitants de la

Voie biologique Voie physico-chimique

Elimination du Phosphore Rendement instable : 50-70% Potentiellement très poussé

Equipement nécessaire Bassin d’anaérobiose équipé Système d’injection et de

stockage des réactifs

Coût de fonctionnement Faible Plus élevé

Production supplémentaire de

boues Négligeable 20% environ

Qualité de la boue Inchangée Meilleure décantabilité

Impact sur le traitement des boues

Epaississement par voie

mécanique obligatoire Aucun

Impact de la composition de

planète, de façon aussi égalitaire que possible, sans pour autant compromettre les chances des générations futures, notamment sur le plan de la santé et de l’environnement.

La problématique et les enjeux sont simples :

• réduire les sorties de phosphore agricole vers les eaux de surfaces pour lutter contre l’eutrophisation des eaux afin de raisonner les apports de façon